扰流式交叉三角形波纹板流道的流动与传热性能的研究

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强化传热技术是节约能源、保护环境的有效手段。板式换热器的优点是结构紧凑,热量损失低,是目前最具发展潜力的换热器类型。针对板式换热器的强化传热技术是国内外的研究热点,受到了研究人员的广泛关注。交叉三角形波纹板换热器具有传热系数高、机械强度高等优点,但也存在内部温度分布不均匀、阻力损失大等缺点,因此对该类型换热器流道进行强化换热的同时,需要综合考虑流道的阻力特性。该换热器在流道下层形成周期性循环涡流,而流道上层为保持平行流动的流动主体,因此,在上层流道中安装扰流板增强流动和换热,是改进和优化该换热器流道结构的一种有效手段,当前对此类结构的研究较少。本文结合实验和数值模拟研究,深入探讨了三角形/梯形扰流板结构参数对交叉三角形波纹板流道的流动和传热特性的影响;采用场协同理论分析了扰流板结构对流道流动和传热的强化协同作用,采用综合强化传热性能指标(Performance Evaluation Criterion,PEC)对不同扰流板结构的流道进行了优选,最后研究了流道顶角大小对流道性能的影响,为工程设计提供了参考依据。本课题的主要工作有以下几个方面:(1)搭建试验台,对扰流式交叉三角形波纹板流道的流动特性进行测试,获得流道的压差和平均阻力系数。同时,对流道建立数学模型,选择雷诺应力湍流模型对计算域求解。将数值模拟计算得到的流道平均f因子和努塞尔数与实验结果及文献结果进行对比,结果吻合度高,验证了模型的准确性。(2)通过数值模拟,利用仿真后处理软件获得所研究流道的内部流场和温度分布。分析发现,在扰流式流道中,流体经过2~3个三角形单元后,流动与传热均表现出明显的周期性。此外,扰流板破坏了原始流道中的层流流动,产生复杂的流动现象,促进了边界层与流动主体间的动量和热量传递,从而达到强化传热的效果。(3)计算得到了不同扰流板结构参数下流道的平均f因子、努塞尔数、压降、湍动能和综合强化传热性能指标PEC值等参数,拟合得到了这些流道的平均f因子、努塞尔数和PEC值与雷诺数相关的关系式。扰流式流道的努塞尔数最高可达到原始流道的2.91-3.76倍,但该流道的阻力损失也最大。综合传热性能最好的流道,其PEC值为原始流道的1.21-1.29倍。总体来说,加入三角形/梯形扰流板可以有效强化交叉三角形波纹板流道的流动和传热性能。(4)利用场协同理论对流道的强化传热进行探讨,发现在扰流板的作用下,流道中速度和温度梯度的协同效应得到加强。计算了Re=700时不同扰流式流道的体积平均场协同角余弦值cosβ,扰流式流道的体积平均cosβ值相对于原始流道提高了1.28-1.42倍。(5)将扰流式流道与三种用于汽车的板翅式换热器流道进行比较,结果表明本研究中的大多数扰流式流道的f因子小于三种车用板翅式换热器流道。由此可见,在实际应用中,扰流式交叉三角形波纹板换热器在阻力特性方面极具优势。(6)研究了流道顶角变化对流道内流体流动和传热的影响。求解了流道内的流场和温度分布,对比分析了不同顶角时的f因子、努塞尔数、PEC值和体积平均cosβ值,拟合得到了不同顶角时流道的f因子、努塞尔数和PEC值与雷诺数相关的关系式。研究发现,流道顶角对流道的传热性能影响较小,对阻力特性的影响较大。总的来说,改变顶角角度是改进扰流式交叉三角形波纹板流道性能的有效手段。
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